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可調(diào)電抗器的新原理，通過對帶氣隙變壓器的電壓方程分析得知，當(dāng)在變壓器的二次側(cè)采用有源的方式注入一個與一次側(cè)電流頻率相同、相位相反的電流時，隨著注入電流的幅值的變化，變壓器的主磁通會發(fā)生連續(xù)變化，從而實現(xiàn)了變壓器的一次側(cè)阻抗的連續(xù)無級可調(diào)。此新原理可用于故障電流限制，控制電力系統(tǒng)潮流，消弧線圈和TCSC(晶閘管控制串聯(lián)電容器)等領(lǐng)域，在電力系統(tǒng)柔性輸電裝置中將有廣闊的應(yīng)用前景。實驗結(jié)果證明此新原理的正確性。
1 引言
為了提高電網(wǎng)的輸電能力，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓，補(bǔ)償無功，電力系統(tǒng)中需要采用一個具有可變阻抗的電抗器�，F(xiàn)有的可調(diào)電抗器大致可以分為如下幾種方案[1~3]：① 調(diào)節(jié)電抗器抽頭;② 調(diào)節(jié)電抗器氣隙;③ 直流助磁式;④ TCR(晶閘管控制電抗器)、TCSC中采用調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角的方式。在這幾種方案中，采用調(diào)節(jié)電抗器抽頭方案成本很低，調(diào)節(jié)方便，但電感量無法連續(xù)調(diào)節(jié);調(diào)節(jié)電抗器氣隙方案電感量可以連續(xù)調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)也簡單，但是需要較為精密的機(jī)械傳動裝置，響應(yīng)慢，噪聲也很大;而采用直流助磁式方案通過調(diào)節(jié)直流激磁電流的大小改變交流等值磁導(dǎo)從而實現(xiàn)電感連續(xù)可調(diào)，其響應(yīng)速度快，但長期正常運行時，鐵心處于磁飽和狀態(tài)、損耗大、噪聲大，諧波較大，而且要通過磁飽和使電抗器勵磁阻抗變得很小是很難的;在TCR、TCSC方案中，由于采用晶閘管調(diào)觸發(fā)角的方式改變電感量，因此必然產(chǎn)生諧波污染[4]。
本文提出了一種基于磁通可控的可調(diào)電抗器的新原理，通過在帶氣隙變壓器的二次側(cè)采用有源的方式注入一個與一次側(cè)電流頻率相同、相位相反的電流，改變變壓器的二次側(cè)注入電流的大小便可實現(xiàn)變壓器主磁通的連續(xù)可調(diào)，從而實現(xiàn)變壓器一次側(cè)阻抗的連續(xù)可調(diào)。與現(xiàn)有的可調(diào)電抗器相比，當(dāng)變壓器中帶有氣隙時，該基于磁通可控的可調(diào)電抗器沒有飽和現(xiàn)象，不產(chǎn)生諧波并可以實現(xiàn)電抗值的無級可調(diào)。
2 磁通可控的可調(diào)電抗器原理
如圖1所示，設(shè)在一帶氣隙串聯(lián)變壓器鐵心上一次側(cè)繞組AX的匝數(shù)為W1，二次側(cè)繞組ax的匝數(shù)為W2，則一次側(cè)與二次側(cè)的匝比k =W1/W2。若將此變壓器的一次側(cè)AX串聯(lián)接在電網(wǎng)和一個負(fù)載之間，則在其一次側(cè)便有電流i1流過。通過檢測變壓器一次側(cè)電流i1，并采用一個電壓型逆變器跟蹤此電流從而產(chǎn)生一個電流i2，將i2反相位注入變壓器的二次側(cè)，則此變壓器即為圖1所示的雙邊勵磁的串聯(lián)變壓器。此雙邊勵磁的串聯(lián)變壓器的T形等效電路如圖2所示(i2折算到變壓器一次側(cè)后為  )，其中：Z1=r1+jx1是一次側(cè)AX線圈的漏阻抗;  為變壓器二次側(cè)折算到一次側(cè)的漏阻抗;Zm=rm+jxm為變壓器勵磁阻抗。
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當(dāng)變壓器空載運行時，鐵心中建立了  的空載磁勢，由此空載磁勢產(chǎn)生的主磁通ΦmN，該主磁通在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生的感生電動勢
? 其中 a為一實數(shù)，且0≤a≤1。
從式(5)可知，由AX端看進(jìn)去，變壓器呈現(xiàn)的阻抗為一可變量，其大小與a 滿足一定比例關(guān)系。因此通過調(diào)節(jié)a 的大小，可改變變壓器二次側(cè)的磁勢，從而改變了變壓器鐵心中的主磁通，變壓器的一次側(cè)也會呈現(xiàn)一無級可調(diào)阻抗。該原理可用于現(xiàn)行的很多FACTS(柔性輸電系統(tǒng))裝置和消弧線圈中，例如：在UPFC(統(tǒng)一潮流控制器)[5]和TCSC(晶閘管控制串聯(lián)電容器)[3]中，只須連續(xù)改變系統(tǒng)阻抗便可以控制線路潮流;在FCL(故障電流限制器)中，正常運行時令a =1，可調(diào)電抗器呈現(xiàn)很小的一次側(cè)漏阻抗，對系統(tǒng)基本沒有影響，當(dāng)出現(xiàn)故障時，通過一定控制立即令a =0，該可調(diào)電抗器為勵磁阻抗，從而將故障電流限制在一定范圍內(nèi);這些都可以根據(jù)該基于磁通可控的可調(diào)電抗器新原理來實現(xiàn)。因本方案通過變壓器的主磁通往下調(diào)且?guī)в锌諝庀�，因此該可調(diào)電抗器沒有飽和現(xiàn)象，而且在實現(xiàn)阻抗連續(xù)可調(diào)時不產(chǎn)生任何諧波。
3 磁通可控變壓器的兩種特殊情況
4 實驗電路結(jié)構(gòu)及控制方式
為了證明上述原理的正確性，本文設(shè)計了一套基于磁通可控的可調(diào)電抗器原理電路如圖5，一串聯(lián)變壓器的一次側(cè)AX串聯(lián)接在電力系統(tǒng)和一阻性負(fù)載Rd之間，Us為電網(wǎng)的電壓，Ls為電力系統(tǒng)的等效內(nèi)阻。變壓器的二次側(cè)ax和一個電壓型逆變器接在一起，此逆變器用于產(chǎn)生一個磁通補(bǔ)償電流。Ud 為逆變器的直流側(cè)電壓，Ld 和 Cd用于抑制逆變器產(chǎn)生的高頻紋波。檢測電路和整個控制電路用于產(chǎn)生一個與變壓器一次側(cè)電流頻率相同，相位相反的補(bǔ)償電流。
電壓型PWM逆變器的電流控制方式一般有3種[6]，本文選擇了滯環(huán)電流控制這種目前應(yīng)用最為廣泛而且實現(xiàn)起來最簡單的電流控制方法，它將補(bǔ)償參考電流與逆變器的輸出電流進(jìn)行比較，當(dāng)實際電流大于給定值，則通過改變逆變器中對應(yīng)的開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，使實際電流減小;反之，若實際電流小于給定值，則通過改變逆變器中對應(yīng)的開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，使實際電流增大。滯環(huán)電流控制對負(fù)載和系統(tǒng)參數(shù)變化具有強(qiáng)魯棒性，其動態(tài)響應(yīng)速度快。
5 實驗結(jié)果及分析
本文根據(jù)磁通可控的可調(diào)電抗器的原理電路圖5設(shè)計了一套實驗裝置。其中，變壓器的變比為1:1，勵磁阻抗Zm為16.309W，一次側(cè)漏阻抗Z1為0.088 W，負(fù)載Rd取為10.1 W。系統(tǒng)電壓為150V，直流電壓為240V，開關(guān)器件為SEMIKRON公司的NPT型 IGBT SKM300GB123D。通過調(diào)節(jié)注入變壓器二次側(cè)電流的大小，使a 在0到1之間變化，測量變壓器一次側(cè)的電壓UAX和電流I1，則可計算出變壓器一次側(cè)的等效阻抗ZAX=UAX /I1，其結(jié)果如表1。
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